具有在感测元件内的解调电路的电容式指纹感测装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种电容式指纹感测系统，其包括激励信号提供电路以及多个感测元件。每个感测元件包括：保护介电顶层；导电的感测结构，其耦接至激励信号以用于提供指示感测结构所承载的电荷的变化的感测信号，该变化产生自手指与感测结构之间的电位差上的变化；以及连接至感测电路的解调电路，其用于组合感测信号以及与激励信号定时相关的解调信号以提供组合信号，该组合信号包括指示感测结构所承载的电荷的变化的DC信号成分。指纹感测系统还包括连接至感测元件中的每个的读出电路，其用于根据来自感测元件中的每个的DC信号成分来提供指纹图案的表示。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种电容式指纹感测系统以及一种感测指纹图案的方法。
技术介绍
各种类型的生物识别系统越来越多被使用，以便于提供增大的安全性和/或强化的用户便利性。尤其，指纹感测系统由于其小的形状因子、高的性能、以及用户的接受度，而例如已经被采用在消费者电子装置中。在各种可利用的指纹感测原理(例如，电容式、光学式、热感式等等)中，电容式感测是最普遍使用的，尤其是在其中尺寸及功率消耗是重要因素的应用中。所有的电容式指纹传感器提供指示在若干感测结构的每个与置放在该指纹传感器的表面上、或是移动横跨该指纹传感器的表面的手指之间的电容的测量。某些电容式指纹传感器被动式读出感测结构与手指之间的电容。然而，这需要感测结构与手指之间的相对大的电容。因此，此种被动电容式传感器通常被设置有覆盖感测结构的非常薄的保护层，这使得此种传感器对于刮痕和/或ESD(静电放电)是相当敏感的。US 7 864 992公开了一种电容式指纹感测系统，其中驱动信号通过脉动(pulsing)被布置在传感器阵列附近的导电的结构而被注入到手指中，并且测量该传感器阵列中的感测结构所承载的电荷的产生的变化。此种主动电容式指纹感测系统一般使得能够以比上述被动系统高得多的信噪比进行手指与每个感测结构之间的电容的测量。因此，这允许有相当厚的保护涂层，并且因此允许有更强健的电容式指纹传感器，其可以被包括在遭受到相当大磨损的物品如移动电话中。然而，仍然有改善的空间。尤其，提供透过甚至更厚的保护涂层的指
纹感测和/或关于信噪比的进一步改善的性能将会是所期望的。
技术实现思路
考虑到现有技术的上述以及其它的缺点，本专利技术的一个目的是实现一种改良的电容式指纹感测系统，尤其是一种提供透过非常厚的保护涂层的改善的感测性能的电容式指纹感测系统。根据本专利技术的第一方面，因此提出一种用于感测手指的指纹图案的电容式指纹感测系统，该电容式指纹感测系统系包括：激励信号提供电路，其用于提供展现关于该手指的电位的时变(time-varying)激励电位的激励信号，该时变激励电位包含从第一电位至第二电位并且回到该第一电位的循环的变化；多个感测元件，其各自包含：保护介电顶层，其要被该手指所触碰；被配置在该顶层下面的导电的感测结构，该感测结构耦接至该激励信号提供电路以展现基本跟随该激励电位的时变感测结构电位，其中该激励电位从该第一电位至该第二电位的每个变化产生在该手指与该感测结构之间的电位差上的变化；连接至该感测结构的感测电路，其用于提供指示该感测结构所承载的电荷的变化的感测信号，该变化产生自该手指与该感测结构之间的电位差上的变化；以及连接至该感测电路的解调电路，其用于组合该感测信号以及与该激励信号定时相关的解调信号以提供组合信号，该组合信号包含指示该感测结构所承载的该电荷的该变化的DC信号成分；以及连接至感测元件的每个的读出电路，其用于根据来自感测元件的每个的该DC信号成分来提供该指纹图案的表示。在本申请的上下文中，该术语\电位\应该被理解为表示\电势\。相应地，时变电位应该被理解为表示具有关于基准电位随着时间而改变的大小的电位。该时变激励电位例如可以被提供为脉冲序列，其具有脉冲重复频率、或者脉冲重复频率的组合。此种脉冲序列中的脉冲例如可以是方波脉冲。或者，该时变激励电位可被提供为正弦波、或者正弦波的组合。感测元件可以有利地以包括列与行的阵列来配置。每个感测结构可以有利地用金属板的形式来设置，因而一种类型的平行板电容器由该感测结构(感测板)、局部手指表面、以及保护涂层(以及任何根据在指纹图案中的位置而可能局部地存在于该局部手指表面与保护涂层之间的空气)而形成。该感测结构所承载的电荷的由该手指与该感测
结构之间的电位差上的变化而产生的变化是此平行板电容器的电容的指示，其因此为该感测结构与手指表面之间的距离的指示。该保护涂层可以有利的是至少20μm厚，并且具有高介电强度以保护该指纹感测装置下面的结构免于磨损及撕裂，并且避免ESD。甚至更有利的是，该保护涂层可以是至少50μm厚。在实施例中，该保护涂层可以是数百μm厚。每个感测元件可以是可控的以执行预定测量序列，预定测量序列涉及预定序列中的不同测量状态之间的转变。测量状态可以是由被提供至包含在该感测元件中的电路的控制信号的某组合所定义的。该激励信号提供电路可包括切换电路，其被配置成在被提供在不同的线上的两个或多个不同的电位之间切换。替代或是组合地，该激励信号提供电路可包括被配置成提供该时变激励电位的至少一个信号源。该激励信号提供电路可以被包含在指纹传感器部件中，并且因此可以提供具有关于该指纹传感器部件的基准电位例如传感器接地电位的时变激励电位的激励信号。或者，该激励信号提供电路可以被设置在该指纹传感器部件的外部，并且连接至该指纹传感器部件以提供该激励信号作为用于该指纹传感器部件的时变基准电位。在这种情况下，该激励信号可以展现其关于该指纹感测系统被包含于其中的电子装置的装置接地电位的时变激励电位。可以利用包含在该指纹传感器部件中的定时电路所产生的控制信号来控制外部激励信号提供电路。当激励电位上的变化在该感测结构电位上产生对应的变化时，该时变感测结构电位基本跟随该激励电位。该感测结构电位上的变化并不需要和该激励电位上的变化完全同时的，而是根据在该激励信号提供电路与感测结构之间的耦合的性质而可以有某些延迟。此外，在该激励电位与感测结构的电位之间可以有电位转换，而且可以有某些缩放。然而，该激励电位的整体特性应该反映在该感测结构电位上。该解调信号与该激励信号定时相关应该被理解为表示该激励信号的上述从该第一电位至该第二电位和/或从该第二电位至该第一电位的变化的定时将决定该解调信号的电位上的变化的定时。在某些实施例中，该解调信号可以是定义采样事件的短脉冲，而在其它实施例中，该激励信号本身可以构成该解调信号。本专利技术基于以下认识：感测元件的更快的操作将会在一个感测事件期间允许多个来自每个感测元件的读出，这产生指示该感测元件与手指表面之间的局部距离的测量。这因此将会提供改善的感测性能，例如在信噪比以及共模噪声降低的方面。本案专利技术人已经进一步认识到，可以通过以下方式在功率消耗上没有相应增加的情况下实现感测元件的希望的较快操作：通过由DC信号或接近DC信号(关于该指纹感测系统的基准电位的恒定电压)来指示该感测信号的希望的信息内容(即上述该感测结构所承载的电荷上的变化)的方式，在感测元件中本地至少部分地解调该感测信号。通过从每个感测元件输出该感测结构所承载的电荷的变化作为DC信号成分，将不需要在电位上针对该读出线的寄生电容来上下移动该读出线，这提供每一读出事件的大为降低的能量消耗。因此，本专利技术的实施例在能量消耗上并无对应的增加的情况下提供较高的读出频率，这因此允许有改善的感测性能，并且进一步通过本身为已知的滤波技术使得能够进行多个输出信号的组合，由此共模噪声可被降低，而且该信噪比可被增大。这允许透过例如电子装置如移动电话的控制按钮或盖子的一部分的较厚的介电涂层的测量。此外，降低该指纹传感器的能量消耗和/或缩短获得指纹表示(图像)所需的时间是可能的。在实施例中，读出电路可被配置成提供特定的感测元件或感测元件组的若干读数的时间的平均值或总和。在其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于感测手指的指纹图案的电容式指纹感测系统，所述电容式指纹感测系统包括：激励信号提供电路，用于提供展现关于所述手指的电位的时变激励电位的激励信号，所述时变激励电位包括从第一电位至第二电位并且回到所述第一电位的循环的变化；多个感测元件，每个感测元件包括：要被所述手指触碰的保护介电顶层；被布置在所述顶层下面的导电的感测结构，所述感测结构耦接至所述激励信号提供电路以展现基本跟随所述激励电位的时变感测结构电位，其中所述激励电位从所述第一电位至所述第二电位的所述变化中的每个变化产生所述手指与所述感测结构之间的电位差上的变化；连接至所述感测结构的感测电路，用于提供指示所述感测结构所承载的电荷的变化的感测信号，所述变化产生自所述手指与所述感测结构之间的电位差上的所述变化；以及连接至所述感测电路的解调电路，用于组合所述感测信号以及与所述激励信号定时相关的解调信号以提供组合信号，所述组合信号包括指示所述感测结构所承载的电荷的所述变化的DC信号成分；以及连接至所述感测元件中的每个的读出电路，用于基于来自所述感测元件中的每个的所述DC信号成分来提供所述指纹图案的表示。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.22 SE 1451634-81.一种用于感测手指的指纹图案的电容式指纹感测系统，所述电容式指纹感测系统包括：激励信号提供电路，用于提供展现关于所述手指的电位的时变激励电位的激励信号，所述时变激励电位包括从第一电位至第二电位并且回到所述第一电位的循环的变化；多个感测元件，每个感测元件包括：要被所述手指触碰的保护介电顶层；被布置在所述顶层下面的导电的感测结构，所述感测结构耦接至所述激励信号提供电路以展现基本跟随所述激励电位的时变感测结构电位，其中所述激励电位从所述第一电位至所述第二电位的所述变化中的每个变化产生所述手指与所述感测结构之间的电位差上的变化；连接至所述感测结构的感测电路，用于提供指示所述感测结构所承载的电荷的变化的感测信号，所述变化产生自所述手指与所述感测结构之间的电位差上的所述变化；以及连接至所述感测电路的解调电路，用于组合所述感测信号以及与所述激励信号定时相关的解调信号以提供组合信号，所述组合信号包括指示所述感测结构所承载的电荷的所述变化的DC信号成分；以及连接至所述感测元件中的每个的读出电路，用于基于来自所述感测元件中的每个的所述DC信号成分来提供所述指纹图案的表示。2.根据权利要求1所述的电容式指纹感测系统，其中所述感测电路包括电荷放大器，所述电荷放大器包括：连接至所述感测结构的第一输入端；连接至所述激励信号提供电路的第二输入端；提供所述感测信号的输出端；连接在所述第一输入端与所述输出端之间的反馈电容器；以及在所述第一输入端及所述第二输入端与所述输出端之间的至少一个放大器级，所述电荷放大器被以所述第一输入端处的电位基本跟随所述第二输
\t入端处的电位的方式来配置。3.根据权利要求1或2所述的电容式指纹感测系统，其中所述解调电路包括信号乘法电路，用于将所述感测信号与所述解调信号相乘。4.根据前述权利要求中任一项所述的电容式指纹感测系统，其中所述解调电路还包括低通滤波器，以用于在去除较高频成分的同时允许所述DC信号成分通过。5.根据前述权利要求中任一项所述的电容式指纹感测系统，其中感测元件中的每个被配置成提供小于10μA的最大输出电流。6.根据前述权利要求中任一项所述的电容式指纹感测系统，其中所述电容式指纹系统包括指纹传感器部件，所述指纹传感器部件包括所述多个感测元件以及所述读出电路。7.根据权利要求6所述的电容式指纹感测系统，其中所述指纹传感器部件还包括所述激励信号提供电路。8.根据权利要求6所述的电容式指纹感测系统，其中所述激励信号提供电路被布置为与所述指纹传感器部件分开，并且连接至所述指纹传感器部件，以用于将所述激励信号提供至所述指纹传感器部件的基准电位输入端，以使得所述指纹传感器部件的基准电位关于所述手指的电位变化。9.根据权利要求2至8中任一项所述的电容式指纹感测装置，其中所述电荷放大器中所包括的所述放大器级包括感测晶体管，所述感测晶体管具有构成所述第一输入端的栅极，其中所述感测晶体管被形成在半导体衬底中的阱内，所述阱与所述衬底之间的界面被以能够避免电流在所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：弗兰克·里戴克，
申请(专利权)人：指纹卡有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞典;SE